Räumliche Trennung von molekularen Konformen und Clustern

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, verschiedene Spezies wie Konformerhaufen oder Quantenzustände in der Gasphase räumlich zu trennen, um weitere Experimente an diesen Proben zu ermöglichen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein rotationskalter Überschall-Molekularstrahl erzeugt wird, der die interessierende Spezies enthält. In einem zweiten Schritt müssen die verschiedenen Spezies, die im Strahl vorhanden sind, räumlich getrennt werden, was durch starke und homogene elektrische Felder erreicht wird, wobei die Spezies durch ihre effektiven Dipolmomente getrennt werden, die durch den starken Effekt induziert werden.

Als nächstes werden die räumlichen Verteilungen der Spezies mit Hilfe der resonanzverstärkten Multiphotonenionisation untersucht, um Gebiete zu identifizieren, in denen nur eine einzige Spezies vorkommt. Es werden Ergebnisse erzielt, die die räumliche Trennung von CYS- und trans-Isomeren von drei Fluorethanol sowie die Trennung von Wasser-Indu-Clustern von reinem Indu auf der Grundlage der vollständig speziesselektiven residenten verstärkten Multiphotonen-Ionisationsausbeute zeigen, die als Funktion der räumlichen Position im Molekularstrahl aufgezeichnet wurde. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Techniken wie hpo, Okauszug oder eiserner Mobilitätsdriftröhre besteht darin, dass der elektrische Defaktor viel einfacher zu implementieren und allgemeiner anwendbar ist.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf Anwendungen in der Molekularrahmenbildgebung sowie auf Elektronen- und Röntgenbeugungsexperimente, da diese reine und homogene Proben erfordern. In der Gasphase ist hier ein Schema des Molekularstrahlaufbaus und des Deflektors der Gasphase dargestellt, der aus den folgenden Komponenten besteht. Die erste Komponente ist ein gepulstes Evan-Levy-Ventil, das die molekulare Probe enthält. In den hier vorgestellten Experimenten wird das Ventil mit einer Wiederholrate von 20 Hertz und einem Vordruck von etwa 50 bar Helium betrieben und zu einer Vakuumkammer erweitert, die auf weniger als 10 bis minus sechs bis mbar evakuiert wird.

Ein Molekularstrahlabschäumer mit einem Durchmesser von zwei Millimetern wird 22 Zentimeter stromabwärts vom Ventil platziert, wodurch der Molekularstrahl beschichtet wird und zu unterschiedlichen Pumpbedingungen zwischen dem gepulsten Ventil und dem Rest des Vakuumsystems geführt wird. Unmittelbar nach dem Abschäumer gelangen die Moleküle in die elektrostatische Ablenkvorrichtung. Dieser besteht aus einem Stab mit einem Radius von drei Millimetern und einer je 24 Zentimeter langen Mulde mit 3,2 Millimeter Krümmungsradius.

Der vertikale Abstand zwischen den Elektroden in der Mitte des Gerätes beträgt 2,3 Millimeter. Zwischen dem Stab und der Mulde wird eine Potentialdifferenz zwischen null und 26 Kilovolt angelegt, wodurch ein starkes, homogenes elektrisches Feld mit einem nahezu konstanten Feldgradienten erzeugt wird, wie im Einschub direkt nach dem Eintritt der Deflektormoleküle in den Wechselwirkungsbereich durch einen zweiten Skimmer angedeutet, der eine weitere differentielle Pumpstufe bereitstellt. Der Wechselwirkungsbereich, der auf einen Druck von weniger als 10 bis minus neun Millibar evakuiert wird, enthält eine standardmäßige Laufzeit von Wiley McLaren: Moleküle werden durch fokussierte Laserpulse in der Mitte des Extraktionsbereichs zwischen der Repeller- und der Extraktorelektrode ionisiert.

Produzierte Ionen werden in Richtung eines Mehrkanalplatten- oder MCP-Detektors beschleunigt, wo ein Massenspektrum aufgezeichnet wird. Die Laserpulse werden von einem Neodym-YAG-Pumpfrequenz-Doppelpulsfarbstofflaser abgeleitet, der typische Ausgangswellenlängen um 283 Nanometer für die abschließenden O-Experimente oder 272 Nanometer für die drei Fluorphenol-Experimente und Pulsenergien von wenigen Millijoule liefert. Die Pulsdauern liegen in der Größenordnung von 10 Nanosekunden und die Pulse werden mit der Linse mit einer Brennweite von 750 Millimetern auf eine Punktgröße von etwa 100 Mikrometern im Wechselwirkungsbereich fokussiert.

Die Timing-Sequenz wird von einem digitalen Delay-Generator gesteuert, der die Master-Clock bereitstellt. Dadurch werden der Neo-DMAC-Laser, das Pulsventil und die Digitizer-Karte ausgelöst, mit der Massenspektren aufgezeichnet werden. Die Digitizer-Karte wird gleichzeitig mit dem Laser-Cue-Schalter ausgelöst.

Die Molekularstrahldichten werden aus geeigneten Mass Gates in den aufgezeichneten Time-of-Flight-Spektren extrahiert. Geben Sie zuerst einige Tropfen von drei Fluorphenolen auf ein kleines Stück Filterpapier, beladen Sie dann den Probenbehälter des gepulsten Ventils mit der chemischen Probe, erzeugen Sie die Überschallexpansion mit einem hochreinen Hochdruck-Vorgas, stellen Sie die Temperatur des Probenbehälters innerhalb des Ventils so ein, dass der Partialdruck der Probe etwa 10 Millibar beträgt. Um den erzeugten Molekularstrahl zu charakterisieren, stellen Sie den Ionisationslaser auf eine bekannte Wellenlänge für die resonanzverstärkte Multiphotonenionisation eines bestimmten Konformers der Probe ein, zeichnen Sie ein zeitliches Profil des Molekularstrahlpulses auf, indem Sie die Gesamtausbeute an Mutterionen auf dem MCP-Detektor als Funktion der Ventillaserverzögerung überwachen.

Hier ist ein typisches Zeitprofil mit ausgeschaltetem elektrostatischen Deflektor für zwei verschiedene Trägergase unter Verwendung von Helium dargestellt. Eine zeitliche Breite von etwa 12 Mikrosekunden voller Breite bei halbem Maximum ist typisch für eine Expansion eines Evan-Levy-Ventils unter diesen Betriebsbedingungen. Zum Vergleich wird auch ein zeitliches Profil eines neonsitzenden Strahls gezeigt.

Fixieren Sie anschließend die Laserverzögerung des Ventils für alle nachfolgenden Messungen auf der Position der maximalen Intensität. Nehmen Sie ein transversales räumliches Profil des Molekularstrahls auf, indem Sie die Fokussierlinse senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung bewegen, so dass sich der Fokus relativ zum Molekularstrahl in Y-Richtung bewegt. Wiederholen Sie dann die zeitliche und räumliche Profilerstellung für alle Konformer, die im Balken von Interesse sind.

Schalten Sie abschließend die Hochspannungsversorgung des Deflektors ein und zeichnen Sie räumliche Profile für alle Isomere auf, die nun abgelenkt werden sollen. Nach dem Verhältnis von Mast zu Dipolmoment wurden drei Fluorethanol-Konformere in einem Molekularstrahl von der Überschallexpansion von 50 bar Helium getrennt. Die Einschübe zeigten die molekularen Strukturen der beiden Konformere.

Die einzelnen Spezies wurden mit anderen charakteristischen resonanzverstärkten Multiphotonen-Ionisationsresonanzen um 272 Nanometer untersucht. Die trans-Spezies zeigt einen signifikant größeren starken Effekt als der cis-Konformer. Dies führt zu einem größeren, effektiven Dipolmoment, das durch die negative Steigung der starken Energien gegeben ist.

Dadurch erfährt der Transcon-Konformer nach dem Durchgang durch den Deflektor eine größere Ablenkung und wird räumlich vom Zystenkonformer und dem Trägergas des Strahls getrennt. Die räumliche Verteilung des Molekularstrahls wird durch die Translation des resonanzverstärkten Multiphotonen-Ionisationslasers relativ zur Molekularstrahlrichtung überwacht und hier werden räumliche Profile gezeigt. Feldfreie Profile werden durch Magenta für Cys und Cyan für Trans-Kurven dargestellt.

Diese ergeben eine räumliche Breite des Molekularstrahls von etwa zwei Millimetern und zeigen, dass ohne den Deflektor beide Spezies innerhalb des Strahls vermischt sind. Das Anlegen einer Ablenkspannung von 14 Kilovolt führt zu einer räumlichen Trennung der Konformere. Die Trennung nimmt zu, wenn höhere Spannungen angelegt werden, wie z. B. 28 Kilovolt, wie rechts gezeigt, in Gegenwart eines Ablenkfeldes. Der transcon-Konformer erfährt eine signifikant größere Ablenkung als der cis-Konformer und kann effektiv von den anderen im Strahl vorhandenen Spezies getrennt werden, so dass bei einer Position von y gleich drei Millimetern eine reine trans-Probe entsteht, die für weitere Experimente verwendet werden kann.

Für die Herstellung von Strahlen aus molekularen Clustern, wie z. B. Indu-Wasser, expandiert ein Coex Indu und Wasser aus dem Molekularstrahlventil. Dadurch entsteht eine Mischung von Arten, einschließlich der jeweiligen Monomere sowie Cluster unterschiedlicher Zusammensetzung. Hier zeigen wir die Erzeugung einer reinen Stichprobe der einen indu.

Ein Wasserdimer. Räumliche Profile für einen Molekularstrahl von indu. Hier ist Co dargestellt, das sich in Gegenwart von Wasser ausdehnt.

Die Detektion dieser Profile mittels resonanzverstärkter Multiphotonenionisation ist vollständig speziesselektiv für Indo-Indu-Wasser, eins und Indu-Wasser. Zwei hier gezeigte Profile wurden mit einer Potentialdifferenz von 26 Kilovolt zwischen Stab und Trogelektrode aufgenommen. Die Linien zeigen simulierte Werte an.

Details zu numerischen Simulationsmethoden finden Sie in der Literatur. Zum Vergleich: Ein feldfreies oder auf Deflektor basierendes räumliches Profil wird erwartungsgemäß durch die schwarze Kurve dargestellt, der Eins-zu-Eins-Cluster aus Indu und Wasser erfährt die größte Ablenkung und entspricht bei einer Position von y zwei bis drei Millimetern reinem Strahl von Indu-Wasser. Eine wurde erstellt, um die Wirkung des Deflektors auf das räumliche Molekularstrahlprofil hervorzuheben, der Einsatz zeigt die Molekularstrahldichte von Indu-Wasser, eine als Funktion der Potentialdifferenz, die über den Deflektor angewendet wird.

Sie deutet darauf hin, dass mit zunehmender Feldstärke der kälteste Teil des Molekularstrahls eine zunehmende Ablenkung erfährt, während die wärmeren Bestandteile eine deutlich geringere räumliche Trennung erfahren und eine gewisse Dichte an der ursprünglichen Position verbleibt. Dies unterstreicht auch die Auswahl des kältesten Teils des Molekularstrahls. Befolgen Sie dieses Verfahren.

Andere Methoden wie die Bildgebung und Ausrichtung des molekularen Rahmens können erheblich zugelassen werden, wenn sie die Extraktion von molekularen Rahmendaten aus ausgewählten Proben ermöglichen. Und vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern äußerst gefährlich ist, daher sollten immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer vorbeugenden Brille getroffen werden.